Какое оборудование ни возьми — IP-маршрутизаторы, оптические транспортные системы или аппаратуру сетей радиодоступа (RAN) — очевидно существенное уменьшение его габаритных размеров, веса и сокращение удельного энергопотребления (например, в расчете на 1 Мбит/с или 1 Гбит/с пропускной способности). Все это, на первый взгляд, должно облегчать задачу подвода необходимой мощности электропитания (требуемого качества) и отвода выделяемого оборудованием тепла. Однако при этом не следует забывать про умопомрачительные темпы роста трафика — например, в сетях мобильной связи в ближайшие 10 лет его объем, по прогнозам, вырастет в 1000 (!) раз. Следовательно, суммарное потребление энергии телекоммуникационной отраслью будет только увеличиваться.

Справиться с ростом мощностей энергопотребления/тепловыделения и при этом не разориться можно будет только с применением энергосберегающих технологий. И тут дело не в борьбе за экологию, которая в России, увы, не в почете, а в обеспечении элементарной конкурентоспособности, особенно если учесть постоянный рост цен на энергоносители.

Больше всего в совершенствовании (в части энергоэффективности) нуждаются системы кондиционирования, мощность которых часто соизмерима с мощностью, потребляемой основным оборудованием. Более широкому внедрению технологий естественного охлаждения (free cooling) способствуют минимум два фактора. Первый заключается в климатических особенностях большинства регионов нашей страны — Россия все-таки северная страна. Второй состоит в существенном расширении производителями диапазона рабочих температур для нового оборудования — благодаря этому многие зарубежные сотовые операторы повысили верхнюю допустимую границу рабочей температуры до +35°С (вместо традиционных 25–30°С). Для многих районов России подобная температура редкость даже жарким летом.

ВОЗДУШНЫЕ ПОТОКИ С УЛИЦЫ

Естественное охлаждение может быть реализовано двумя основными способами. Если в системах прямого фрикулинга холодный воздух с улицы непосредственно (пройдя только через фильтры) поступает к оборудованию, то в системах непрямого фрикулинга наружный и внутренний воздух не смешиваются, а охлаждение осуществляется через промежуточную среду, например водно-гликолевую смесь.

Телекоммуникационное оборудование, например базовых станций сотовой связи, часто располагается в специальных шкафах или контейнерах (шелтерах) (см. Рисунок 1). Дефицит монтажного места требует более внимательного отношения к габаритам, особенностям установки и обслуживания кондиционеров. При этом на большинстве базовых станций нет возможности осуществлять сервисное обслуживание чаще одного раза в полгода. По мнению Сергея Зеленкова, ведущего технического специалиста компании HTS, данные обстоятельства выдвигают особые требования к кондиционерному оборудованию и позволяют использовать в целях энергосбережения только режим прямого фрикулинга.

Рисунок 1. Телекоммуникационное оборудование часто располагается в специальных шкафах или контейнерах (шелтерах).

 

В случае использования кондиционера с прямым фрикулингом при низких температурах на улице охлаждение осуществляется непосредственно наружным воздухом, который поступает в контейнер через открытую воздушную заслонку (см. Рисунок 2). В этом режиме компрессорное охлаждение, характеризующееся высоким уровнем потребления электроэнергии, не требуется. Если наружная температура превышает заданное пороговое значение, естественного охлаждения уже недостаточно, поэтому дополнительно подключается компрессорное охлаждение (смешанный режим), но ресурсы компрессора задействуются по минимуму.

Рисунок 2. Основные режимы работы кондиционера с функцией прямого фрикулинга.

 

Показанный на Рисунке 2 вариант кондиционера предназначен для наружного монтажа — такое решение позволяет максимально полно использовать внутреннее пространство контейнера или шкафа. Разумеется, кондиционеры наружной установки должны размещаться на охраняемой территории или иметь очень высокую степень вандалозащищенности. Это очень важное требование: базовые станции разбросаны по огромной территории, и даже если сигнализация сработает, пока приедет наряд полиции или вневедомственная охрана, российские «умельцы» открутят все, что только можно.

Большей популярностью в России пользуются кондиционеры для монтажа внутри телекоммуникационных контейнеров или других технологических объектов. Этот вариант лучше защищен от злоумышленников, но зато кондиционер занимает драгоценное место внутри контейнера. Выпускаются и решения, состоящие из внутреннего и внешнего (компрессорно-конденсаторного) блоков. Выбор конкретной конструкции зависит как от особенностей места установки объекта, так и от специфики компоновки контейнера/шкафа.

Рисунок 3. Потребление электроэнергии кондиционерами при включенной и выключенной функции естественного охлаждения.

 

Рисунок 4. Статистика работы кондиционеров «Мистраль-телеком» на базовых станциях
в Московской области.

Насколько эффективен фрикулинг? Компания Stulz приводит данные по потреблению электроэнергии кондиционерами с функцией фрикулинга и без таковой, исходя из профиля температур в Гамбурге. И для аппарата наружного монтажа, и для кондиционера, монтируемого внутри контейнера, цифры экономии одинаковы — до 93% (см. Рисунок 3). Данные компании «ВентСпецСтрой», собранные по результатом эксплуатации ее кондиционеров «Мистраль-телеком» на базовых станциях сотовой связи, развернутых в Московской области, показывают, что только в течение 10% времени работы к режиму естественного охлаждения требовалось подключать еще и компрессорный цикл охлаждения, а большую часть времени (85%) фрикулинга было вполне достаточно (см. Рисунок 4).

ТАМ, ГДЕ «ЖИВУТ» СПЛИТЫ

Для оснащения нового телекоммуникационного объекта, реализованного на базе контейнера, наилучший выбор — использовать кондиционер со встроенным функционалом естественного охлаждения. И этот вариант сейчас широко востребован операторами связи. Например, по свидетельству Петра Ронжина, директора компании «ВентСпецСтрой», с момента начала производства кондиционеров «Мистраль-телеком» в 2007 году было продано несколько сотен единиц оборудования как в России, так и за рубежом (в Казахстане).

Но в эксплуатации остаются еще десятки тысяч базовых станций со старым оборудованием, которые надо охлаждать и которые еще будут работать не один год. Они, как правило, оснащены бытовыми сплит-системами, которые в свое время были выбраны исключительно из-за дешевизны. Эксперты много лет критикуют использование подобного климатического оборудования, которое просто не рассчитано на круглогодичную эксплуатацию в режиме 24×7, не обладает необходимыми средствами отказоустойчивости (не говоря уже о поддержке режима фрикулинга) и пр., но факт остается фактом: такие решения продолжают обеспечивать работу множества телекоммуникационных объектов.

Чтобы снизить энергопотребление таких объектов, повысив при этом их надежность, предлагается дооборудовать их системами фрикулинга — только не полноценными кондиционерами (что дорого), а более простыми устройствами, получившими название фрикулинг-боксов. Большую часть времени эти устройства поддерживают необходимую для оборудования температуру за счет холодного наружного воздуха, который приточный вентилятор подает через воздушный фильтр. Только когда охлаждающей способности наружного воздуха не хватает, фрикулинг-бокс включает сплит-кондиционер. Время работы последнего сводится к минимуму, что существенно сокращает потребление электричества (по оценке компании «ВентСпецСтрой», в 3–3,5 раза), а также повышает срок эксплуатации сплит-систем.

Выше описан принцип действия фрикулинг-бокса, предназначенного для прямого естественного охлаждения. На рынке представлены и решения для непрямого фрикулинга, например с теплообменниками «воздух – воздух». В них внутренний и наружный воздух изолированы друг от друга, а для охлаждения внутреннего воздушного контура применяются специальные противоточные теплообменники. Такие решения чаще применяют в климатических шкафах.

А НУЖНЫ ЛИ КОНДИЦИОНЕРЫ?

С учетом повышения верхней допустимой температурной границы до 35°С, а для некоторого нового оборудования и до 50°С, вполне можно отказаться от установки классических кондиционеров — неважно, есть в них фрикулинг или нет. Использование представленных выше вентиляционных систем для естественного охлаждения позволит снизить операционные затраты в несколько раз.

«При развертывании оборудования 3G можно отказаться от установки станции контейнерного типа в пользу климатических шкафов, оснащенных либо фрикулинг-боксами, либо теплообменниками «воздух – воздух». Применение климатического оборудования данного вида оправданно вследствие существенного расширения температурного диапазона функционирования основного оборудования, — говорит Петр Ронжин. — Начав в 2011 году производить фрикулинг-боксы «Енисей 2000», мы уже в августе продали больше 200 штук, и спрос на них растет».

Но все-таки остается одна категория практически незаменимого оборудования, которое «чувствует себя комфортно» только в узком температурном диапазоне. Это аккумуляторные батареи — основной источник резервного электропитания, используемый при кратковременных отключениях основного. Как известно, несоблюдение температурного режима 18–25°С приводит к значительному ухудшению рабочих характеристик и сокращению срока службы аккумуляторов.

«Массогабаритные показатели аккумуляторных батарей, а также жесткие требования по рабочей температуре сильно ограничивают время автономной работы систем резервного электропитания, — отмечает Алексей Коняев, руководитель телеком-направления российского офиса APC by Schneider Electric. — Какой бы компактной ни была система, мы вынуждены использовать массивные батареи — их вес и размеры могут многократно превосходить соответствующие характеристики всего остального оборудования».

В этом случае для поддержания должной рабочей температуры оптимальным решением, по мнению большинства экспертов, является их размещение в отдельном теплоизолированном отсеке со своим встроенным кондиционером. Для оставшейся площади контейнера/шкафа можно использовать рассмотренные выше энергоэффективные средства естественного охлаждения. «С 2011 года мы предлагаем нашим заказчикам специальные кондиционеры для аккумуляторов холодопроизводительностью от 300 Вт до 1,5 кВт, — говорит Петр Ронжин. — С развитием сети станций, размещенных в климатических шкафах, спрос на такие кондиционеры будет только увеличиваться».

Как считает Евгений Вишневский, технический директор компании United Elements Engineering, эффективным средством автономного микроклиматического обеспечения наиболее уязвимого к температурным воздействиям вспомогательного оборудования (такого, как аккумуляторные батареи) могут стать системы охлаждения на элементах Пельтье. В основе работы таких термоэлектрических преобразователей, которые в англоязычной литературе часто обозначаются TEC (ThermoElectric Cooler), лежит эффект возникновения разности температур при протекании электрического тока через контакт двух материалов (обычно полупроводников) с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока в сторону полупроводника с более высокоэнергетической зоной проводимости происходит поглощение энергии (охлаждение), а в другую сторону — высвобождение энергии (нагревание). Решения TEC, наряду с классическими кондиционерами для аккумуляторных отсеков, предлагает, например, датская компания Dantherm.

По мнению Петра Ронжина, элементы Пельтье представляют интерес в первую очередь благодаря свойству обратимости цикла (их можно использовать для нагрева и охлаждения) и своей компактности. Он согласен с тем, что они хорошо подходят для охлаждения аккумуляторных отсеков климатических шкафов небольшой мощности, но предупреждает об их низкой энергоэффективности. По его данным, в среднем на 1 Вт холода элементы Пельтье расходуют 2 Вт электроэнергии, тогда как даже сплит-системами на «производство» 1 Вт холода необходимо всего 0,3 Вт электроэнергии.

АЛЬТЕРНАТИВА «НЕЖЕНКАМ»

А что если совсем отказаться от использования аккумуляторов? Например, вместо них установить водородные топливные элементы (см. Рисунок 5), которые способны работать при температуре до +50°С. Тогда и кондиционеры не понадобятся.

Рисунок 5. Водородные топливные батареи в телекоммуникационном шкафу.

 

По мнению Алексея Коняева, водородные генераторы не получили большого распространения по причине технологической сложности хранения водорода, как крайне летучего газа. «У APC by Schneider Electric есть решение для небольших серверных, которое может оказаться интересным для использования в составе контейнерного ЦОД (из-за большей гибкости при выборе места установки), а также для узлов и базовых станций сотовой связи, вынесенных за пределы города», — говорит он.

Евгений Вишневский рассматривает водородные топливные элементы как возможную альтернативу традиционным источникам бесперебойного питания (ИБП) для базовых станций сотовой связи, но только при обязательном наличии системы компенсации кратковременных провалов напряжения на основе суперконденсаторов (ионистров). Суперконденсаторы имеют еще более широкий диапазон рабочих температур (от -40 до +75°С), чем сами водородные элементы, а потому также не нуждаются в специальной климатической системе. Решения на базе водородных батарей Dantherm Power уже были успешно протестированы на базовых станциях санкт-петербургского филиала «ВымпелКома».

К альтернативным вариантам можно также отнести солнечные элементы и ветряные генераторы. Хотя примеры коммерческого использования подобных систем имеются (например, Краснодарский филиал «ВымпелКома» эксплуатирует базовые станции с энергоснабжением от солнечных батарей), их следует признать нестабильным источником питания, которые можно использовать только в комплексе с традиционными или альтернативными ИБП. Возможность применения подобных решений сильно зависит от особенностей места их установки.

«Говоря о внедрении солнечных батарей, давайте вспомним одну из недавних московских зим, когда было официально зарегистрировано четыре-пять солнечных дней за три месяца. Поэтому при планировании использования такого вида источника нужно тщательно оценить климатические особенности конкретной местности, — говорит Алексей Коняев. — Такая же ситуация и с «ветряками». Представьте себе, что в центре города для обеспечения электропитания базовых станций будут размещаться поля «ветряков» и солнечных батарей — ни один оператор связи не отважится на такое решение, хотя бы по причине высокой стоимости арендуемых площадей. С технологической точки зрения было бы интересно и просто использовать магистральный газ как резервный источник энергии, но стоимость проекта оказывается запретительной уже на стадии его согласования».

Хотя по темпам инноваций рынок инженерных систем отстает от рынка телекоммуникаций, высокая динамика последнего привела к существенному пересмотру правил выбора климатических средств. По сути, в сетях связи нового поколения все больше элементов не нуждаются в дорогостоящих кондиционерах, вместо которых можно использовать более дешевые — по капитальным, а главное, по операционным затратам — вентиляционные системы с естественным охлаждением. По мере централизации «интеллекта», в том числе базовых станций, процесс отказа от использования кондиционеров в контейнерах и шкафах будет только набирать обороты.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями